CN101282814A - 混合式激光器与电阻焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种改进的熔焊系统，具有加热单元和焊接设备，适用于增加焊接多个工件的效率。该系统优选地采用单面加工，并包括：第一和第二电极轮，可操作使工件的一部分加热到一最小温度；以及可转移的激光器，该激光器被配置成在加热的部分之内形成连续的焊缝。优选的系统具有激光焊接的优点，例如精度，而与传统的激光焊接系统相比，该系统使得能够在更小的激光功率输出或更快的焊接速度下实现焊缝的产生。

Description

混合式激光器与电阻焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及焊接系统，并且更特别地涉及一种熔焊系统，该熔焊系统包括加热单元和焊接设备，用于组合加热和焊接。

背景技术

材料连接和处理的方法是工业发展的必要条件。如此，熔焊系统已被改善用于连接多组件的工件。一个这样的系统，激光点和焊缝焊接利用在连接时的激光热能，而且该系统例如在汽车工业中被普遍使用。

与对应的电阻焊接技术相比，这些传统的系统被一般用于提供更快的焊接速度以及产生更准确和更精密的焊缝。与激光器匹配的功率、材料成分以及工件的初始状态直接与焊缝深度对宽度的深宽比成比例。换句话说，激光越强并且光束越聚焦，热能密度就越大。然而，虽然这些好处有助于最小化工件所经受的应力，但是它们表现出其他问题。例如，这些系统一般受限于在焊缝中对公差、孔隙率形成、不良的焊缝金属填充量(gap bridgeability)以及热裂纹的严格要求。进一步的问题是与大功率激光器(也就是具有功率输出大于4kW的激光器)有关的较高成本，这不单独是增大的输入能量需求的结果。

这些系统可能也表现出构造问题，其中大功率激光器被利用来产生熔焊焊缝。与焊缝形成的速度有关的温度从初始室温到大于材料的熔化范围的快速变化导致由夹气形成的孔和在较窄焊缝内的裂纹的产生。孔和裂纹的形成进一步减小了焊缝的结构完整性。

已经研发了其他焊接系统，例如传统的混合式激光-电弧系统，其特征在于同时应用从激光辐射和电弧产生的热。与传统的激光焊接一样，这些混合式系统通常需要大功率激光输出以用于组合焊接，并因此在组合焊接时遇到相同的问题。

因此，在该技术中需要改进的激光焊接系统，使得由于大功率激光焊接而产生的成本和构造无效性的可能性减到最小。

发明内容

对应于由传统的激光焊接系统造成的这些或其他问题，本发明提供一种改进的系统，用于减少成本和与该系统相关的结构无效性。本发明提供一种焊接工件的方法，该方法使用多个源来顺序地预热和焊接。在其他方面中，本发明还可用于用加热单元大致地预热工件，以增加小功率激光焊接的适用性。

更特别地，本发明的第一个方面涉及用于焊接多个工件的系统。该系统优选地包括第一和第二电极轮以及激光器，该激光器被配置为接合并进一步加热第一部分。该轮被优选地配置为配合地使工件的第一部分预热到一温度，该温度至少等于第一部分的熔化范围的预定百分比。轮和激光器相对于工件优选是可转移的，并且被配合地配置为在多个工件之间形成连续的焊缝。

本发明的第二个方面涉及一种增大激光焊接多个工件的效率的方法。该方法优选地包括下述步骤：使用加热单元使工件的一部分预热到一最小温度；进一步用激光束加热该部分，直到该第一部分熔化；以及使该部分冷却到小于熔化范围的温度，以便允许该部分再凝固并形成焊缝。

本发明的其他方面和优点从下述优选的实施例和附图图示的详细描述中将是显而易见的。

附图说明

参照所附的附图图示，下面对本发明的一个优选实施例进行详细地描述，其中：

图1是根据本发明的优选实施例的呈交叠配置的多个工件及焊接系统的横截面图，特别图示出点焊系统；

图2是根据本发明的优选实施例的呈交叠配置的多个工件及焊接系统的透视图，特别图示出了可转移的系统；

图3是根据本发明的优选实施例的工件及可转移的系统的顶视图；以及

图4是图3所示的工件和系统沿A-A线截取的横截面图。

具体实施方式

本发明涉及一种改进的用于焊接多个(也就是两个或更多个)交叠相邻工件，例如汽车金属板和发动机支架部件的熔焊系统10，以产生焊缝12。在图1至4所示的有图示说明的实施例中，示出了相等厚度的两个工件14、16；然而，系统10可被利用来焊接更多个具有可变厚度的结构零件。工件可由各种各样的材料形成，这些材料包括铁合金、铝合金、镁合金、钛和钼。如图1所示，被定位的工件14、16具有至少一个部分地限定出外缘并暴露于系统10的最外表面18。为了便于进入，系统10优选地采用单面加工，其在于：该系统仅仅沿着表面18接合工件14、16。在这种配置中，工件14、16在相对的侧面上被支持板或夹具(未示出)支撑。虽然在这里是相对于工件进行描述，但在本发明的范围之内，系统10也可能被用在其他需要修理或焊接的方面，例如修补现有的结构。

回到系统10的配置，加热单元20被设置用于加热工件14、16的一部分，使得该部分的温度增加到一最小温度。可操作焊接设备22在超过该部分的熔化范围下进一步加热该部分。单元20和设备22可被手动控制，或被电子-机械装置(未示出)控制。更优选地，系统10沿着多条轴线以机器人方式被控制，而且是可编程调整的。

在图示的实施例中，优选的加热单元包括多个电极24、26，这些电极被配置为使电流(未示出)传送通过工件的该部分。工件24、26的电阻率产生辐射的和传导的热能，并且生成热影响区(HAZ)28，该热影响区包围待焊接的部分(见图1)。可被那些本领域普通技术人员所理解的是：总电阻直接与电极之间的线性距离成比例，并且同样地，电阻以及因此电流可通过重新安置电极而被改变。“预热的”部分延伸通过每个工件，其中需要点焊熔核的形成(见图1)。

更特别地，电极24、26具有电上升，以便在它们之间产生电势差。例如，当一般用于点焊时，被充电到电极24的电力可大约等于25至100kVA，而电极26被接地。加热单元被优选地配置为使得产生一定量的足够加热所述部分的热能，使该部分加热到不小于钢或铁合金的熔化范围的10％，更优选为不小于20％的温度，而且不小于铝合金的熔化范围的30％，更优选为不小于50％的温度。进一步理解的是：工件14、16在这些温度下被显著地塑化，因此导致增大的可加工性和热接受性。最终，优选的电极24、26可以是任何适合的点焊电极、传导连接或类似的设备，而且电流可以是脉冲、交流或直流电流。

如图1至4进一步所示，优选的设备22包括激光器30，可操作该激光器用激光束30a接合外表面18，该激光束具有适当的功率以进一步使所述部分加热到大于熔化范围的温度。作为预热该部分的预期好处，激光器30不需要产生大功率输出以形成焊缝12。同样，小功率激光器，也就是最大值4kW的激光器，可被用于本发明的大多数板焊接应用。然而，当预热的工件14、16的冷却的速率与工件材料的热导率直接相关时，操作的顺序具有一个功能性的参数。因此，为了使得激光束30a的聚焦的能量可通过熔融产生熔池，必须在从预热开始的最大期间，也就是5s之内施加该聚焦的能量。在工件14-电极24的接触面上需要焊接的地方，电极必须被移走(如图1中的虚线所示)，并且激光器在该期间之内被放置就位。在施加激光束30a之后，熔池被周围材料和气氛冷却凝固，并且形成焊缝12。

虽然其他焊接设备，例如电弧焊炬、固态、以及混合式焊接系统可被利用来形成焊缝12，但那些本领域普通技术人员可理解的是：激光束30a提供了用于焊接的最准确和最稳定的传统装置之一。也可理解：当和其他的焊接设备22相比时，大功率激光焊接的相对成本实现预热的更大的成本收益。最后，在激光焊接之前的电阻预热的应用进一步可用于显著地增加接合处的静力强度。例如，在利用CO2或Yag激光器的激光焊接之前，对1.3mm厚的软钢工件和1.4mm厚的铝(AA5754)工件的电阻预热的应用相应地导致静力强度的增加，所述增加大约等于1500N和2500N，或15％和100％。

更优选地，而且如图2至4所示，焊接系统10相对于工件14、16是可转移的，以便能够产生连续焊缝或滚焊焊缝。在这种配置中，系统10优选地包括电极轮32、34，这些电极轮滚动地接合上下工件14、16。在其他因素之中，相对于激光器30的轮的放置取决于应用、有效功率以及工件的几何形状。在这种配置中如一般用于滚焊那样可以利用适当的铜合金轮电极。

由于这是单面加工，要维持轮压力，下板16应等于或厚于上板。优选上板14的厚度小于3mm。例如，对于厚度小于3mm的上板14，电极轮32、34可具有小于或等于14mm的滚轮宽度，同时带有供应的80kVA(DC)的功率输出。第一个轮34可与凸出的焊缝相隔15至50mm的范围之内的距离S₁，并且使其接触下工件板16。类似于图1所示的可选的电极24位置，第二个轮32可在接触上工件14时位于激光器30之前(如图2所示，并在图4中用虚线表示)，或与焊缝的纵向中心线相隔不大于5mm的距离S₂(如图3和4所示)。可以理解：在非暴露的轮-工件接触面上的工件温度具有用于连续焊接的最大初始温度。然而，在轮之间实施激光焊接时，激光束30a被工件14、16更有效地吸收，而且一般截断电流，从而导致同时加热和焊接。

在本发明中所要使用的适当的激光器30可包括YAG激光器。可以理解：这些激光器可灵活用于光束传输。进一步可以理解：小功率(也就是＜4kW)激光器和/或更快的焊接速度，与本发明的加热单元相结合，可被利用来焊接厚度为0.8mm(用于汽车应用的薄板)至15mm(船用钢)的材料。激光器可在表面18的上方相隔150至200mm的范围内的距离H，而且形成70°至90°之间的角度(也就是在激光头与垂直轴线之间的角度)。优选的激光器30也可以是具有单独或同时加工能力的小功率的CO2或纤维激光器。最后，例如像氩这样的惰性气体的流动可沿着焊缝以20°至60°范围之内的角度和10至100L/min的范围之内的流出速率被定向。

激光束30a可由单个激光器产生，而且经由纤维光学管道和铰接的自动机械臂被输送，以便在复杂形状的零件上加工。激光束30a也可被分成多光束，这些多光束被配置为同时或顺次地作用在工件的相同或不同的部分上，以产生更深的焊缝或多条一致的焊缝。最后，多个系统10可被互相连接，而且是可同时操作的，以便同时地焊接相等的多个工件组。

因此，提出了一种焊接多个工件以产生焊缝的优选方法，该方法包括下述步骤。首先，通过用电极接合每个工件并使电流在工件之间经过，工件的一部分被加热到至少等于工件的温度的熔化范围的10％的温度。更优选地，该部分被加热到钢的熔化范围的20％，而且不小于铝合金的熔化范围的30％。其次，激光束接合并进一步加热该部分超过工件材料的熔化范围，以形成熔池。在需要连续焊接的地方，电极和光束被一致地转移。最后，熔化的材料被冷却到小于熔化范围并允许再凝固的温度。可从初始光束分离多条激光束，而且连续地或平行地接合工件。

对于在这里提出的典型实施例和操作的方法的显而易见的改进，在不脱离本发明的主题的情况下可容易地被那些本领域技术人员实现。在这里使用的“多数”应当意指两个或更多个。当有关于任何本质上不脱离、但又在下述权利要求中陈述的本发明的文字范围之外的系统时，发明人据此声明其目的以依靠等同性原则来确定和评定本发明的合理公正的范围。

Claims (16)

1.一种用于焊接多个工件的系统，所述系统包括：

加热单元，配置为使工件的第一部分加热到一最小温度；以及

焊接设备，配置为接合并进一步加热第一部分，

所述单元和设备配合地配置用于焊接所述多个工件。

2.根据权利要求1所述的系统，所述单元包括第一电极，该电极被配置为接合并使电流传输通过工件的第二部分。

3.根据权利要求2所述的系统，所述电极和工件配合地配置用于使第一部分加热到至少等于第一部分的熔化范围的10％的温度。

4.根据权利要求3所述的系统，所述电极和工件配合地配置用于使第一部分加热到至少等于第一部分的熔化范围的50％的温度。

5.根据权利要求2所述的系统，所述单元进一步包括第二电极，该第二电极与第一电极隔开，并被配置用于接收电流。

6.根据权利要求1所述的系统，所述单元和设备分别是线性可转移的，以便形成连续的焊缝。

7.根据权利要求6所述的系统，所述单元包括至少一个电极轮。

8.根据权利要求1所述的系统，所述设备包括激光器，该激光器被配置用于使至少一条激光束聚焦在第一部分上。

9.根据权利要求8所述的系统，所述激光器具有小于4kW的功率输出。

10.根据权利要求8所述的系统，所述激光器是YAG或CO₂激光器。

11.一种用于连续焊接多个工件的系统，所述系统包括：

第一和第二电极轮，被配置为配合地使工件的第一部分加热到至少等于第一部分的熔化范围的预定百分比的温度；以及

激光器，被配置为接合并进一步加热第一部分，

所述电极和激光器相对于工件是可转移的，而且配合地配置用于在所述多个工件之间形成连续的焊缝。

12.根据权利要求11所述的系统，所述轮和激光器采用单面工艺，其中所述轮和激光器接合工件的单个侧面。

13.一种增加激光焊接多个工件的效率的方法，所述方法包括下述步骤：

a)使用加热单元把工件的一部分加热到一最小温度；

b)用激光束进一步加热该部分，直到该部分熔化；以及

c)使该部分冷却到小于熔化范围的温度，而且允许该部分再凝固并形成焊缝。

14.根据权利要求13所述的方法，步骤(a)进一步包括下述步骤：使电流传送通过工件以产生一定量的热能。

15.根据权利要求13所述的方法，步骤(a)进一步包括下述步骤：线性地转移该单元，步骤(b)进一步包括下述步骤：线性地转移激光束，而且步骤(c)进一步包括下述步骤：允许连续焊缝的形成。

16.根据权利要求13所述的方法，其中步骤(a)和(b)被同时地实施。

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